基于ST C15單片機的白酒窖池無線溫度監(jiān)測節(jié)點設計

陳 杭，王小剛，2，譚 飛，劉 丹，2

（1.四川輕化工大學，自動化與信息工程學院，四川宜賓643000；2四川輕化工大學，人工智能四川省重點實驗室，四川宜賓643000）

根據(jù)白酒行業(yè)的“十二五”規(guī)劃，用現(xiàn)代化技術改造白酒工藝過程中各生產單元的傳統(tǒng)操作模式，徹底將白酒生產從手工勞動生產方式中解脫出來，全面提高企業(yè)生產效益。與此同時，物聯(lián)網的崛起和推廣應用極大地促進了工業(yè)信息化進程，為釀造白酒精確測量、精細生產、信息無縫共享、高效管理提供了強有力的手段，使之成為可能。

目前白酒窖池溫度采集方式主要有兩種：一種為人工采集方式，由酒廠工人向窖池中插入溫度計，頻繁的插拔溫度計不僅會浪費大量的人力和時間，而且窖池內部處于全封閉狀態(tài)，溫度計的出入會導致發(fā)酵環(huán)境被破壞，影響發(fā)酵工藝，每次插入的深度位置不同以及工人的主觀讀取因素都會導致測溫數(shù)據(jù)的不準確；另一種為布線自動測溫模式，將多根溫度計插入窖池位置固定不動后通過電纜傳送溫度至電腦中，這種方式需要電纜密布在窖池周圍，成本較高，且安全性不高，所以不適用。落后的測量裝置和測量方式以及額外測量勞動力的加入，這些因素都影響著白酒的質量和產量，這種方式有三大弊端：一是測量范圍有限，只能測量窖池內某點的溫度，無法反映發(fā)酵過程中不同部位的升溫變化；二是無法連續(xù)記錄，并存在主觀測量誤差；三是破壞發(fā)酵環(huán)境，測量時會破壞酒醅發(fā)酵的厭氧環(huán)境。

采用無線監(jiān)測技術不需要任何額外的布線，安裝簡單方便，穩(wěn)定可靠，可維護性和可擴充性好[1-3]。在不改變現(xiàn)有的工作流程和方式的情況下，即可實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的自動采集、實現(xiàn)釀酒過程自動報警與查詢生產狀況。對于上述窖池溫度采集問題，如何設計低功耗高性能的智能監(jiān)測節(jié)點，準確采集窖池溫度數(shù)據(jù)，是本文的設計重點和關鍵[4-6]。針對上述弊端，本文基于藍牙技術設計一種無線的固態(tài)發(fā)酵窖池溫度監(jiān)測節(jié)點，該節(jié)點是一種利用STC15單片機讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端顯示的設備。

1 節(jié)點模塊設計

本文設計的無線監(jiān)測節(jié)點的最終應用系統(tǒng)架構如圖1所示，其中以無線的感知Sink節(jié)點實現(xiàn)對所在窖池發(fā)酵信息的采集，通過無線射頻將信息上傳到區(qū)域匯聚節(jié)點或中繼，再由匯聚節(jié)點通過有線或者無線的方式傳送到基站Base，廠房監(jiān)測平臺處理來自基站的信息，進而由車間技術人員得到窖池內部發(fā)酵信息從而對其發(fā)酵設備的參數(shù)進行調整，保證白酒的發(fā)酵質量。

圖1 無線監(jiān)測網絡系統(tǒng)

對于圖1中的無線監(jiān)測節(jié)點，本文是基于無線藍牙技術設計的一種無線的固態(tài)發(fā)酵窖池溫度監(jiān)測節(jié)點，該節(jié)點是一種利用STC15單片機讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端顯示的設備，節(jié)點采用分辨率可達0.0625℃的溫度傳感器DS18B20，同時選用STC15W4K32S4單片機（圖3）來控制整個系統(tǒng)運行，實現(xiàn)溫度采集、發(fā)送與接收功能[7-8]。接收端節(jié)點的溫度顯示則選用LCD1602液晶模塊，管理人員和用戶不用就地測量即可實時查看所測窖池的溫度值。

通過對本設計需求及白酒發(fā)酵窖池環(huán)境的分析，無線的監(jiān)測節(jié)點擬采用圖2所示的設計方案。在該設計中利用數(shù)字化溫度傳感器模塊DS18B20對窖池內的環(huán)境溫度進行采集，并通過與STC15W4K32S4單片機相連的信號線將所測溫度數(shù)據(jù)傳送給控制芯片；獲取數(shù)據(jù)后，STC15W4K32S4單片機對數(shù)據(jù)進行分析和整理，再經過無線藍牙模塊發(fā)送至接收端；接收節(jié)點獲取數(shù)據(jù)后，通過LCD1602液晶模塊顯示出來，可供檢測人員實時查看。相對于傳統(tǒng)的白酒發(fā)酵窖池測溫方法，該系統(tǒng)能夠更準確、更方便的實現(xiàn)測溫功能，同時，在很大程度上減少工作人員的勞動量。

圖2 節(jié)點模塊設計圖

圖3 STC15W4K32S4引腳示意圖

2 硬件設計

本設計中的硬件主要包括控制芯片、DS18B20溫度傳感器、藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、LCD1602液晶顯示模塊。通過各模塊協(xié)調工作實現(xiàn)溫度采集與顯示。

2.1 芯片選型

控制芯片是整個系統(tǒng)最核心的部分，就本設計而言，選用STC15W4K32S4這款單片機，因為其具有價格低廉、性能優(yōu)良的特點。在實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的同時，還可以在用戶不需要查看溫度的時候進入低功耗模式，達到節(jié)約資源的效果。相對于傳統(tǒng)的8051單片機來說，該款芯片運行指令的速度要快8～12倍，可以更方便地實現(xiàn)實時監(jiān)測與顯示。其次，STC15W4K32S4的晶振電路與復位電路都集成在片內，不需要外加。因此，選擇該款芯片使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，大大降低了故障率和系統(tǒng)成本。主控芯片引腳圖如圖3所示。

2.2 DS18B20溫度測量模塊

DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、功耗低、工作電源寬泛的特點。其輸出的是數(shù)字信號，將它的信號線與單片機的引腳相連接，通過編寫程序即可控制該溫度模塊進行測量并獲取溫度數(shù)據(jù)。

相對于直插式封裝而言，貼片式的封裝更具有模塊化的優(yōu)勢，在密封性及抗干擾能力方面的性能會更加優(yōu)異，而本設計面向的是白酒窖池中不穩(wěn)定的工作環(huán)境，因此貼片式的封裝應當是不二選擇。DS18B20引腳示意圖如圖4所示，該模塊共8個引腳，其中VDD引腳接電源輸入；GND為接地端；DQ是信號端，用于模塊和單片機之間的數(shù)據(jù)與控制信號傳輸；其余NC則為空引腳，使用時不需要做任何連接。

圖4 DS18B20引腳示意圖

DS18B20的工作電源為直流3.0～5.5 V，也可以使用數(shù)據(jù)線寄生電源，此時其電源引腳需接地處理。正常供電的情況下，將其信號線與控制芯片直接相連，另外在信號引腳接4.7～10 K的上拉電阻即可，不需要再接其他外圍原件。該模塊的測溫范圍為-55℃～+125℃，完全可以滿足商業(yè)級與大部分工業(yè)級測溫的需求。4種配置的分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可通過設置實現(xiàn)不同精度的溫度測量。

2.3 藍牙傳輸模塊

本設計中采用HC-05主從一體的藍牙模塊（圖5、圖6）來進行窖池溫度數(shù)據(jù)的傳輸，當STC15W4K32S4單片機將溫度傳感器所測的窖池溫度讀出來并經過處理之后，再通過HC-05模塊發(fā)送至接收端進行顯示。該模塊采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協(xié)議標準，輸入電壓在3.6 V～6 V之間。模塊自帶連接狀態(tài)指示燈：LED快閃時無藍牙連接，LED慢閃時表示進入AT命令模式。

圖5 HC-05引腳圖

HC-05藍牙模塊具有兩種工作模式：命令相應工作模式和自動連接工作模式，通過控制模塊外部引腳輸入電平，可以實現(xiàn)兩種模式的動態(tài)轉換。當發(fā)送端與接收端的兩個藍牙模塊配對成功后即可當做一條有線串口使用，此時支持8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶效驗的全雙工通信格式，這種常用的通信格式完全滿足本設計的需求。值得注意的是兩個模塊必須設置為相同的波特率才可正常的傳輸數(shù)據(jù)。在與單片機相連時，HC-05模塊的RXD(接收端)與單片機的TXD（發(fā)送端）相連，其TXD與單片機的RXD相連。圖7所示為單片機與藍牙模塊的正確連接方式。

圖6 HC-05實物圖

圖7 單片機與藍牙模塊連接示意圖

2.4 LCD顯示模塊

系統(tǒng)在接收端收到溫度的數(shù)據(jù)后，應當通過顯示器將所測溫度顯示出來供檢測人員查看，此處采用LCD1602液晶顯示模塊來實現(xiàn)，該模塊是一種用5*7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，將LCD控制器、驅動器、RAM、ROM和液晶顯示面板用PCB連接在一起，可顯示16x2個字符，工作電壓為直流4.5～5.5 V，模塊引腳包括8條數(shù)據(jù)線，控制線與電源線均為3條，如表1所示。通過控制芯片向模塊寫入命令和數(shù)據(jù)，就可選擇顯示方式和顯示內容。最終窖池溫度將通過動態(tài)刷新的方式顯示在LCD模塊上，以確保溫度數(shù)據(jù)的實時更新。

2.5 硬件電路設計

整個系統(tǒng)的硬件分為接收端和發(fā)送端，其實現(xiàn)原理大同小異。以接收端為例，如圖8所示，STC15W4K32S4單片機的P0口與LCD1602模塊的8位數(shù)據(jù)端對應相連，用于傳輸數(shù)據(jù)與命令字；P4.5口與LCD1602的使能端相連接，進行讀操作時該使能端應為高電平，進行寫操作時應輸入脈沖；單片機P2.7口與其讀/寫選擇端相連，用于對讀寫操作進行選擇；P2.6口連接數(shù)據(jù)/命令選擇端，可進行對數(shù)據(jù)/命令操作的切換。LCD1602的電源和接地端之間接一個可變電阻器，可用于調節(jié)顯示的對比度。在與HC-05藍牙模塊連接方面，單片機則使用P3.0和P3.1的第二功能，即串口的發(fā)送與接收端，分別連接藍牙模塊的接收和發(fā)送端。當需要進行溫度測量時，藍牙模塊將接受到的窖池溫度數(shù)據(jù)通過固定的波特率由其TXD引腳傳輸給單片機，再由單片機控制LCD1602模塊顯示出來。需要注意的是整個接收系統(tǒng)必須使用同一個接地端，這樣系統(tǒng)才可正常工作。

表1 LCD1602接口信號說明

圖8 節(jié)點硬件電路設計圖

3 軟件設計

節(jié)點軟件設計流程如圖9所示，由于本設計利用藍牙模塊來傳輸窖池溫度數(shù)據(jù)，所以在判斷需要進行溫度采集之后應進行藍牙模塊的配對，只有在建立連接的前提下才能獲取數(shù)據(jù)進行顯示。

圖9 系統(tǒng)軟件設計流程圖

首先通過發(fā)送端的STC15W4K32S4單片機來控制傳感器DS18B20采集窖池內溫度，初始化測溫模塊，并根據(jù)時序發(fā)送溫度轉換命令，從模塊中獲取溫度值的字節(jié)，最終將數(shù)據(jù)轉化為十進制形式的數(shù)據(jù)，以便處理和發(fā)送；其次是通過HC-05藍牙模塊發(fā)送窖池溫度數(shù)值，當發(fā)送端與接收端配對成功（雙方指示燈常亮），并設置相同的波特率后即可進行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端單片機將要傳輸?shù)淖止?jié)放入特殊功能寄存器SBUF中，等待串口發(fā)送標志位置1時即表示已成功發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，同樣，傳輸進來的數(shù)據(jù)也是放在接收端的SBUF寄存器中，單片機從中獲取數(shù)據(jù)進行處理即可。

就本設計而言，將波特率設置為9600時便可達到實時顯示的目的。接收到數(shù)據(jù)后單片機控制LCD1602模塊將溫度顯示出來：首先對該模塊進行初始化，此時即可設置需要顯示的模式以及光標是否閃爍/顯示等，接下來便可對液晶模塊寫入數(shù)據(jù)，在對LCD1602模塊進行寫操作的時候需要注意的是應當在程序中首先對其進行“判忙”，即判斷模塊內部是否還有沒完成的上一步操作，只有返回的參數(shù)表明模塊處于空閑狀態(tài)時才能寫入新的顯示數(shù)據(jù)，當然，這個過程是很短暫的，一般情況下都可在微秒級的時間內完成。因此，采用該顯示器不會對實時顯示的要求產生任何影響。當用戶不需要查看溫度時，整個系統(tǒng)處于低功耗模式，直至下一次啟動工作時喚醒。

4 結論

本文設計的基于STC15W4K32S4單片機的無線溫度監(jiān)測節(jié)點，以單片機為主控芯片，通過與溫度傳感器、藍牙模塊、液晶顯示模塊的相互連接及程序控制實現(xiàn)溫度的實時檢測。極大地方便了用戶對溫度參數(shù)的測量。本設計根據(jù)實際需要充分考慮了功耗、測量精度、器件工作環(huán)境等因素，能夠解放人力，提高溫度監(jiān)測精度，能為搭建白酒生產物聯(lián)網監(jiān)測系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)采集模塊。綜上可以看出，該設計具有很大的可行性和實際意義。